專利名稱：鐵電疇陣列結(jié)構(gòu)及其制備方法，及具有該結(jié)構(gòu)的鐵電膜的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種鐵電疇陣列結(jié)構(gòu)及其制備方法，以及具有該鐵電疇陣列結(jié)構(gòu)的鐵電膜。
背景技術(shù)：
鐵電材料是一種具有多方向自發(fā)極化特性的壓電材料。在鐵電材料晶胞內(nèi)的原子，由于不同的堆疊結(jié)構(gòu)(如鈣鈦礦結(jié)構(gòu))，使得正負(fù)電荷產(chǎn)生相對(duì)位移，形成電偶極矩，讓晶體在不加外電場(chǎng)時(shí)就具有自發(fā)極化現(xiàn)象，且自發(fā)極化的方向能夠被外加電場(chǎng)反轉(zhuǎn)或重新定向。鐵電晶體內(nèi)部分成若干個(gè)小區(qū)域，自發(fā)極化方向一致的區(qū)域稱為鐵電疇，簡(jiǎn)稱電疇。疇與疇之間的界面稱為疇壁。
目前，鐵電材料在納米結(jié)構(gòu)組裝及光子晶體等領(lǐng)域具有較大的潛在應(yīng)用價(jià)值。(1)在納米結(jié)構(gòu)組裝應(yīng)用領(lǐng)域，其主要是利用帶電顆粒對(duì)鐵電疇極化方向具有選擇性的特性?？蓞⒁?jiàn)Kalinin等人在文獻(xiàn)Nano Lett.，Vol.2，No.6，589-593(2002)，Atomic Polarization and Local Reactivity on FerroelectricSurfaceA New Route toward Complex Nanostructure一文，Kalinin等人發(fā)現(xiàn)可以利用鐵電材料的表面極化特性方便地組裝各種納米結(jié)構(gòu)。(2)在光子晶體應(yīng)用領(lǐng)域，其主要是利用鐵電疇極化的反向會(huì)導(dǎo)致非線性光學(xué)系數(shù)反號(hào)的特性。可參見(jiàn)Berger在文獻(xiàn)Phys.Rev.Lett.，Vol.81，No.19，4136-4139(1998)，Nonlinear Photonic Crystals一文，Berger將準(zhǔn)相位匹配的材料研究從一維擴(kuò)張到二維，并提出非線性光子晶體概念。
上述應(yīng)用中，非常關(guān)鍵的一步是生成所需的特定疇結(jié)構(gòu)。目前，常用的生成特定疇結(jié)構(gòu)的方法有化學(xué)內(nèi)擴(kuò)散(Chemical In-diffusion)，電場(chǎng)極化(Electric-Field Poling)，電子束(Electron Beams)或探針(Probe Tips)直寫等方法。然而，上述常用的方法中的化學(xué)內(nèi)擴(kuò)散、電子束及探針直寫法制備納米級(jí)(小于1微米)鐵電疇結(jié)構(gòu)的效率低，而電場(chǎng)極化法目前難以制備出納米級(jí)鐵電疇結(jié)構(gòu)；因此，其將大大限制鐵電材料在納米結(jié)構(gòu)組裝領(lǐng)域的應(yīng)用。
有鑒于此，有必要提供一種鐵電疇陣列結(jié)構(gòu)及其制備方法，以及具有該鐵電疇陣列結(jié)構(gòu)的鐵電膜，其具有納米級(jí)鐵電疇結(jié)構(gòu)，且制作工藝簡(jiǎn)單。

發(fā)明內(nèi)容下面將以具體實(shí)施例說(shuō)明一種鐵電疇陣列結(jié)構(gòu)及其制備方法，以及具有該鐵電疇陣列結(jié)構(gòu)的鐵電膜，其具有納米級(jí)鐵電疇結(jié)構(gòu)，且制作工藝簡(jiǎn)單。
一種鐵電疇陣列結(jié)構(gòu)，其包括多個(gè)鐵電疇結(jié)構(gòu)，該多個(gè)鐵電疇結(jié)構(gòu)具有納米級(jí)直徑，且以三角密排方式排布于一鐵電超薄膜內(nèi)。
及，一種鐵電疇陣列結(jié)構(gòu)的制備方法，其包括以下步驟提供一預(yù)定厚度的鐵電超薄膜，其具有一表面；向該鐵電超薄膜施加一垂直于該表面的預(yù)定大小的電場(chǎng)，以在該鐵電超薄膜內(nèi)形成一鐵電疇陣列結(jié)構(gòu)。
以及，一種鐵電膜，其包括一鐵電疇陣列結(jié)構(gòu)，該鐵電疇陣列結(jié)構(gòu)包括多個(gè)鐵電疇結(jié)構(gòu)，該多個(gè)鐵電疇結(jié)構(gòu)具有納米級(jí)直徑，且以三角密排方式排布。
相較于現(xiàn)有技術(shù)，所述鐵電疇陣列結(jié)構(gòu)及其制備方法，以及具有該鐵電疇陣列結(jié)構(gòu)的鐵電膜，其通過(guò)向一鐵電超薄膜施加一垂直于其表面的預(yù)定大小的電場(chǎng)，在該預(yù)定大小的外加電場(chǎng)的極化作用下，鐵電超薄膜內(nèi)的鐵電疇可自組織生成一鐵電疇陣列結(jié)構(gòu)。該鐵電疇陣列結(jié)構(gòu)的制作工藝簡(jiǎn)單，且該電疇陣列結(jié)構(gòu)中的鐵電疇結(jié)構(gòu)具有納米級(jí)直徑。

圖1是本發(fā)明實(shí)施例中鐵電疇陣列結(jié)構(gòu)的俯視圖。
圖2是本發(fā)明實(shí)施例中鐵電疇陣列結(jié)構(gòu)的制備方法示意圖。
具體實(shí)施方式下面結(jié)合附圖將對(duì)本發(fā)明實(shí)施例作進(jìn)一步的詳細(xì)說(shuō)明。
參見(jiàn)圖1，本發(fā)明實(shí)施例所提供的鐵電疇陣列結(jié)構(gòu)100，其包括多個(gè)鐵電疇結(jié)構(gòu)120，該多個(gè)鐵電疇結(jié)構(gòu)120具有納米級(jí)直徑(小于1微米)，且以三角密排方式排布一鐵電超薄膜10’內(nèi)。
如圖1所示，該鐵電超薄膜10’為一鋯鈦酸鉛鐵電超薄膜(PbZrTiO3)，其大小為43×43×4個(gè)單位晶胞(Unit Cell)，即其長(zhǎng)度與寬度均為43個(gè)單位晶胞厚度，其厚度為4個(gè)單位晶胞厚度；每個(gè)單位晶胞厚度約為0.4納米。當(dāng)然，該鐵電超薄膜10’也可以為其它材質(zhì)的鐵電超薄膜，如鈮酸鋰(LiNbO3)、鈮酸鉀(KNbO3)、鎂鈮酸鉛(PbMgNbO3)、鉭酸鋰(LiTaO3)、鉭酸鉀(KTaO3)、磷酸鈦氧鉀(KTiOPO4)、砷酸鈦氧鉀(KTiOAsO4)、磷酸鈦氧銣(RTiOPO4)、砷酸鈦氧銣(RTiOAsO4)、鈦酸鋇(BaTiO3)等，每種鐵電超薄膜的單位晶胞的大小可能具有差異。其中，超薄膜是指在一個(gè)方向上有2～100個(gè)單位晶胞厚度，在另外兩個(gè)方向上原子呈周期性排列的薄膜，為一種準(zhǔn)二維材料。
該多個(gè)鐵電疇結(jié)構(gòu)120的表面輪廓均為近似圓形，其厚度與鐵電超薄膜10’的厚度相等，也即該鐵電疇結(jié)構(gòu)120貫穿于該鐵電超薄膜10’。該多個(gè)鐵電疇結(jié)構(gòu)120具有一致的極化方向，其以三角密排方式排布于鐵電超薄膜10’內(nèi)。
所謂三角密排方式，在理想情況下是指相鄰鐵電疇120的中心的距離基本相等，如圖1中虛線表示的三角形，其為近似等邊三角形。該種以三角密排方式排布的鐵電疇陣列結(jié)構(gòu)100的晶格常數(shù)(Crystal Lattice Constant)等于相鄰兩個(gè)鐵電疇結(jié)構(gòu)120的中心的距離，其約為7個(gè)單位晶胞厚度，為2.8納米。其中，鐵電疇結(jié)構(gòu)120的最大直徑與該晶格常數(shù)大小相當(dāng)。
該鐵電疇陣列結(jié)構(gòu)100的晶格常數(shù)與鐵電超薄膜10’的厚度有關(guān)，鐵電超薄膜10’的厚度越大，在其內(nèi)形成的鐵電疇陣列結(jié)構(gòu)100的晶格常數(shù)越大。對(duì)于厚度范圍為2～100個(gè)單位晶胞厚度的鐵電超薄膜，其內(nèi)可形成的鐵電疇陣列結(jié)構(gòu)的晶格常數(shù)大小分布范圍一般為1～100nm，相應(yīng)的鐵電疇結(jié)構(gòu)的直徑大小分布范圍為1～100nm。優(yōu)選的，該鐵電疇結(jié)構(gòu)的直徑大小均勻。
參見(jiàn)圖2，該鐵電疇陣列結(jié)構(gòu)100可通過(guò)下面描述的制備方法來(lái)獲取，該制備方法包括以下步驟(1)提供一預(yù)定厚度的鐵電超薄膜10。鐵電超薄膜10的形成方法可選用分子束外延生長(zhǎng)(Molecule Beam Epitaxy)、轉(zhuǎn)移增強(qiáng)外延生長(zhǎng)法(MigrationEnhanced Epitaxy)、化學(xué)束外延生長(zhǎng)法(Chemical Beam Epitaxy)、有機(jī)金屬化學(xué)氣相沉積法(Metal-Organic Chemical Vapor Deposition)、有機(jī)金屬分子束外延生長(zhǎng)法(Metal-Organic Molecular Beam Epitaxy)等方法。本實(shí)施例采用分子束外延生長(zhǎng)法在一基底20的上表面22形成一鋯鈦酸鉛鐵電超薄膜10，其分子式為PbZrTiO3；該鐵電超薄膜10的大小為43×43×4個(gè)單位晶胞。該基底20的材質(zhì)選擇以其與基底上表面22形成的鐵電超薄膜的晶格結(jié)構(gòu)失配率小于2％為佳。該鐵電超薄膜10沿
晶向方向生長(zhǎng)，其在[100]及
晶向方向原子有序排列。當(dāng)然，通過(guò)適當(dāng)控制鐵電超薄膜的制備工藝，可使鐵電超薄膜沿不同晶向方向生長(zhǎng)。
(2)向該鐵電超薄膜10施加一垂直于鐵電超薄膜表面12的預(yù)定大小的電場(chǎng)。對(duì)于該預(yù)定大小的電場(chǎng)，其大于等于一閾值電場(chǎng)即可。對(duì)于厚度為2～100個(gè)單位晶胞厚度的鐵電超薄膜，對(duì)應(yīng)的閾值電場(chǎng)分布范圍為1×107～5×108伏特/米(V/m)。本實(shí)施例中，該電場(chǎng)的施加可通過(guò)將上述形成在基底20上表面22上的鐵電超薄膜10置于一對(duì)平板電極30之間，通過(guò)一電壓源40向該對(duì)平板電極30之間施加一電壓而實(shí)施。該電場(chǎng)的方向基本垂直于該鐵電超薄膜10的表面12。當(dāng)該電壓大于等于一閾值(最小值)后，其可產(chǎn)生一形成鐵電疇陣列結(jié)構(gòu)所需的電場(chǎng)；在該鐵電超薄膜10內(nèi)，由于上述外加電場(chǎng)的極化作用，其將形成有一鐵電疇陣列結(jié)構(gòu)100(如圖1所示)，進(jìn)而可獲得如圖1所示的鐵電超薄膜10’。該鐵電超薄膜10’包括多個(gè)鐵電疇結(jié)構(gòu)120，各個(gè)鐵電疇結(jié)構(gòu)120具有均一納米級(jí)直徑，其以三角密排方式排布于該鐵電超薄膜10’內(nèi)。該鐵電疇結(jié)構(gòu)120的極化方向一致，且鐵電疇結(jié)構(gòu)120貫穿于該鐵電超薄膜10’。
該電壓的閾值與鐵電超薄膜10的厚度有關(guān)。鐵電超薄膜10的厚度越大，所需的電壓閾值越大。對(duì)于厚度為2～100個(gè)單位晶胞厚度的鐵電超薄膜，其所需電壓的閾值分布范圍一般為0.1～10伏特(V)，對(duì)應(yīng)產(chǎn)生的電場(chǎng)的大小分布范圍可為1×107～5×108V/m。本實(shí)施例中，鐵電超薄膜10的厚度為4個(gè)單位晶胞厚度，所需的電壓閾值約為0.2V，其可向鐵電超薄膜10施加一垂直于其表面12的約2×108V/m的電場(chǎng)，進(jìn)而可獲取一鐵電疇陣列結(jié)構(gòu)100。
對(duì)于鐵電疇陣列結(jié)構(gòu)100中的鐵電疇結(jié)構(gòu)120的直徑，其與所施加的電場(chǎng)大小有關(guān)。當(dāng)所施加的電場(chǎng)大于在一預(yù)定厚度鐵電超薄膜內(nèi)形成一鐵電疇陣列結(jié)構(gòu)所需的電場(chǎng)時(shí)，電場(chǎng)越大，鐵電疇結(jié)構(gòu)120的直徑越小，但鐵電疇陣列結(jié)構(gòu)100的晶格常數(shù)基本不變。
可以理解的是，通過(guò)僅僅向鐵電超薄膜施加一預(yù)定大小的局部電場(chǎng)，則可在鐵電超薄膜的局部形成一鐵電疇陣列結(jié)構(gòu)。
本實(shí)施例可方便地通過(guò)選擇合適的鐵電超薄膜厚度及向該鐵電超薄膜施加的電場(chǎng)的大小，來(lái)控制最終所獲取的鐵電疇陣列結(jié)構(gòu)的晶格常數(shù)及鐵電疇結(jié)構(gòu)直徑；其制作工藝簡(jiǎn)單。
另外，采用本實(shí)施例所提供的鐵電疇陣列結(jié)構(gòu)制備方法制備得到的鐵電疇陣列結(jié)構(gòu)，其可用于納米結(jié)構(gòu)組裝及光子晶體等領(lǐng)域，以及可作為構(gòu)建納米存儲(chǔ)器件的模板。
另外，本領(lǐng)域技術(shù)人員還可在本發(fā)明精神內(nèi)做其它變化，如適當(dāng)變更鐵電超薄膜的材質(zhì)及厚度，鐵電疇結(jié)構(gòu)的形狀，電場(chǎng)的大小，電場(chǎng)的形成方法等設(shè)計(jì)以用于本發(fā)明，只要其不偏離本發(fā)明的技術(shù)效果均可。這些依據(jù)本發(fā)明精神所做的變化，都應(yīng)包含在本發(fā)明所要求保護(hù)的范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種鐵電疇陣列結(jié)構(gòu)，其包括多個(gè)鐵電疇結(jié)構(gòu)，該多個(gè)鐵電疇結(jié)構(gòu)具有納米級(jí)直徑，且以三角密排方式排布于一鐵電超薄膜內(nèi)。
2.如權(quán)利要求1所述的鐵電疇陣列結(jié)構(gòu)，其特征在于所述鐵電疇結(jié)構(gòu)的材質(zhì)包括鈮酸鋰、鈮酸鉀、鎂鈮酸鉛、鋯鈦酸鉛、鉭酸鋰、鉭酸鉀、磷酸鈦氧鉀、砷酸鈦氧鉀、磷酸鈦氧銣、砷酸鈦氧銣或鈦酸鋇。
3.如權(quán)利要求1所述的鐵電疇陣列結(jié)構(gòu)，其特征在于該鐵電疇結(jié)構(gòu)表面輪廓為圓形。
4.如權(quán)利要求1所述的鐵電疇陣列結(jié)構(gòu)，其特征在于所述多個(gè)鐵電疇結(jié)構(gòu)的極化方向一致。
5.如權(quán)利求1所述的鐵電疇陣列結(jié)構(gòu)，其特征在于所述多個(gè)鐵電疇結(jié)構(gòu)的直徑大小均勻，其范圍為1～100納米。
6.如權(quán)利要求1所述的鐵電疇陣列結(jié)構(gòu)，其特征在于所述相鄰兩個(gè)鐵電疇結(jié)構(gòu)的中心距離大小均勻，其范圍為1～100納米。
7.一種鐵電疇陣列結(jié)構(gòu)的制備方法，其包括以下步驟提供一預(yù)定厚度的鐵電超薄膜，其具有一表面；向該鐵電超薄膜施加一垂直于該表面的預(yù)定大小的電場(chǎng)，以在該鐵電超薄膜內(nèi)形成一鐵電疇陣列結(jié)構(gòu)。
8.如權(quán)利要求7所述的鐵電疇陣列結(jié)構(gòu)的制備方法，其特征在于所述電場(chǎng)的最小值分布范圍為1×107～5×108伏特/米。
9.如權(quán)利要求7所述的鐵電疇陣列結(jié)構(gòu)的制備方法，其特征在于所述鐵電超薄膜的形成方法包括分子束外延生長(zhǎng)、轉(zhuǎn)移增強(qiáng)外延生長(zhǎng)法化學(xué)束外延生長(zhǎng)法、有機(jī)金屬化學(xué)氣相沉積法及有機(jī)金屬分子束外延生長(zhǎng)法。
10.如權(quán)利要求7所述的鐵電疇陣列結(jié)構(gòu)的制備方法，其特征在于所述電場(chǎng)是通過(guò)向一對(duì)平板電極間施加一預(yù)定大小的電壓而形成的。
11.如權(quán)利要求10所述的鐵電疇陣列結(jié)構(gòu)的制備方法，其特征在于所述電壓的最小值分布范圍為0.1～10伏特。
12.如權(quán)利要求7所述的鐵電疇陣列結(jié)構(gòu)的制備方法，其特征在于所述鐵電超薄膜的材質(zhì)包括鈮酸鋰、鈮酸鉀、鎂鈮酸鉛、鋯鈦酸鉛、鉭酸鋰、鉭酸鉀、磷酸鈦氧鉀、砷酸鈦氧鉀、磷酸鈦氧銣、砷酸鈦氧銣或鈦酸鋇。
13.一種鐵電膜，其包括一鐵電疇陣列結(jié)構(gòu)，該鐵電疇陣列結(jié)構(gòu)包括多個(gè)鐵電疇結(jié)構(gòu)，該多個(gè)鐵電疇結(jié)構(gòu)具有納米級(jí)直徑，且以三角密排方式排布。
14.如權(quán)利要求13所述的鐵電膜，其特征在于所述鐵電膜的厚度范圍為2～100個(gè)單位晶胞厚度。
15.如權(quán)利要求13所述的鐵電膜，其特征在于所述鐵電膜的材質(zhì)包括鈮酸鋰、鈮酸鉀、鎂鈮酸鉛、鋯鈦酸鉛、鉭酸鋰、鉭酸鉀、磷酸鈦氧鉀、砷酸鈦氧鉀、磷酸鈦氧銣、砷酸鈦氧銣或鈦酸鋇。
16.如權(quán)利要求14所述的鐵電膜，其特征在于相鄰兩個(gè)鐵電疇結(jié)構(gòu)的中心距離大小均勻，其范圍為1～100納米。
17.如權(quán)利要求14所述的鐵電膜，其特征在于所述鐵電疇結(jié)構(gòu)的極化方向一致。
18.如權(quán)利要求14所述的鐵電膜，其特征在于所述鐵電疇結(jié)構(gòu)貫穿于該鐵電膜。
19.如權(quán)利要求14所述的鐵電膜，其特征在于所述鐵電疇結(jié)構(gòu)的直徑大小均勻，其范圍為1～100納米。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種鐵電疇陣列結(jié)構(gòu)，其包括多個(gè)鐵電疇結(jié)構(gòu)，該多個(gè)鐵電疇結(jié)構(gòu)具有納米級(jí)直徑，且以三角密排方式排布于一鐵電超薄膜內(nèi)。本發(fā)明還提供該鐵電疇陣列結(jié)構(gòu)的制備方法，其通過(guò)向一鐵電超薄膜施加一垂直于其表面的預(yù)定大小的電場(chǎng)，在該預(yù)定大小的外加電場(chǎng)的極化作用下，鐵電超薄膜內(nèi)的鐵電疇可自組織生成一鐵電疇陣列結(jié)構(gòu)。該鐵電疇陣列結(jié)構(gòu)的制作工藝簡(jiǎn)單，且該鐵電疇陣列結(jié)構(gòu)中的鐵電疇結(jié)構(gòu)具有納米級(jí)直徑。另外，本發(fā)明還提供具有上述鐵電疇陣列結(jié)構(gòu)的鐵電膜。
文檔編號(hào)C04B35/00GK1937274SQ20051003751
公開(kāi)日2007年3月28日 申請(qǐng)日期2005年9月23日 優(yōu)先權(quán)日2005年9月23日
發(fā)明者段文暉, 吳忠慶, 吳健, 顧秉林 申請(qǐng)人:清華大學(xué), 鴻富錦精密工業(yè)(深圳)有限公司